Построение сети передачи данных на основе технологии WiMAX для Казани

1.1   Обзор технологии WiMAX (стандарт IEEE 802.16)

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) — телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Основана на стандарте IEEE 802.16, который так же называют WirelessMAN. Название «WiMAX» было создано организацией WiMAX Forum, которая была основана в июне 2001 года c целью продвижения и развития стандарта.

Область использования

WiMAX подходит для решения следующих задач:

- соединение точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета,

- обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL,

- предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг,

- создания точек доступа, не привязанных к географическому положению.

WiMAX позволяет осуществлять доступ в интернет на высоких скоростях, с гораздо большей пропускной способностью и покрытием чем у Wi-Fi сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL- и выделенные линии, а так же локальные Wi-Fi сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети масштабов целых городов.

Широкополосный доступ

Многие телекоммуникационные компании делают большие ставки на использование WiMAX для предоставления услуг высокоскоростной связи. И тому есть несколько причин.

Во-первых, технологии семейства 802.16 позволят экономически более эффективно (по сравнению с проводными технологиями) не только предоставлять доступ в сеть новым клиентам, но и расширять спектр услуг и охватывать новые труднодоступные территории.

Во-вторых, беспроводные технологии многим более просты в использовании, чем традиционные проводные каналы. WiMAX и Wi-Fi сети просты в развёртывании и по мере необходимости легко масштабируемы.

В сумме все эти преимущества позволят снизить цены на предоставление услуг высокоскоростного доступа в Интернет как для бизнес структур, так и для частных лиц.

Пользовательское оборудование

Оборудование для использования сетей WiMAX поставляется несколькими производителями и может быть установлено как в помещении (устройства размером с обычный DSL модем), так и вне него (устройства размером с ноутбук). Следует заметить что оборудование, рассчитанное на размещение внутри помещений и не требующее профессиональных навыков при установке, конечно, более удобно, однако способно работать на значительно меньших расстояниях от базовой станции, чем профессионально установленные внешние устройства. Поэтому оборудование, установленное внутри помещений требует намного больших инвестиций в развитие инфраструктуры сети, так как подразумевает использование намного большего числа точек доступа.

С изобретением мобильного WiMAX все больший акцент делается на разработке мобильных устройств. В том числе специальных телефонных трубок (похожи на обычный мобильный смартфон), и компьютерной периферии (USB радио модулей и PC card).

Принцип работы

Основные понятия

В общем виде WiMAX сети состоят из двух основных частей — базовой станции и приемника.

Для соединения базовой станции и клиентского оборудования используется высокочастотный диапазон от 2 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приемником.

Как уже говорилось выше, WiMAX применяется как для решения проблемы «последней мили», так и для предоставления доступа в сеть офисным и районным сетям.

Между базовыми станциями устанавливается соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГЦ, скорость обмена данными может достигать 120 Мбит/c. При этом, по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений. Однако, чем большее число БС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надежность сети в целом.

Структура сетей семейства стандартов IEEE 802.16 схожа с традиционными GSM сетями (базовые станции действуют на расстояниях до десятков километров, для их установки не обязательно строить вышки — допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями).

Режимы работы

Стандартом 802.16 определены несколько режимов работы сетей WiMAX:

Fixed WiMAX — фиксированный доступ;

Nomadic WiMAX — сеансовый доступ;

Portable WiMAX — доступ в режиме перемещения;

Mobile WiMAX — мобильный доступ.

Fixed WiMAX

Предполагается использование фиксированного режима WiMAX как альтернативы проводным сетям. Используется диапазон частот от 3 до 66 ГГЦ, при этом требуется наличие прямой видимости между базовой станцией и станцией пользователя из-за сильного затухания волн. Однако ширина диапазона позволяет достигать скоростей до 120 Мбит/с. Сети с фиксированным режимом работы уже распространены в некоторых странах, однако многие телекоммуникационные компании делают ставку на портативный и мобильный режимы работы.

Nomadic WiMAX

Сеансовый режим вносит понятие сессий к фиксированному режиму работы. Подобный режим позволяет перемещать клиентское оборудование и использовать соединение, не привязанное к определённой базовой станции. Подобный режим удобен для использования сетей для подключения ноутбуков и других портативных устройств.

Portable WiMAX

Портативный режим работы WiMAX поддерживает возможность автоматического переключения между базовыми станциями без обрыва соединения. Скорость перемещения больше чем в режиме сессий, однако ограничена 40 км/ч. С 2006 года некоторые компании приступили к производству портативных устройств, поддерживающих WiMAX сети.

Mobile WiMAX

Отличается от портативного режима возможностью перемещения приёмника со скоростью до 120 КМ/ч.

MAC / канальный уровень

В Wi-Fi сетях все пользовательские станции, которые хотят передать информацию через точку доступа (АР), соревнуются за «внимание» последней. Такой подход может вызвать ситуацию при которой связь для более удалённых станций будет постоянно обрываться в пользу более близких станций. Подобное положение вещей делает затруднительным использование таких сервисов как Voice over IP (VoIP), которые очень сильно зависят от непрерывного соединения.

Что же касается сетей 802.16, в них MAC использует алгоритм планирования. Любой точке доступа стоит лишь подключиться к точке доступа, для нее будет создан выделенный слот на точке доступа, и другие пользователи уже не смогут повлиять на это соединение.

Архитектура

WiMAX Forum разработал архитектуру, которая определяет множество аспектов работы WiMAX сетей: взаимодействия с другими сетями, распределение сетевых адресов, аутентификация и многое другое.

Следует заметить, что архитектура сетей WiMax не привязана к какой-либо определённой конфигурации, обладает высокой гибкостью и масштабируемостью.

Wi-Fi

Сопоставления WiMAX и Wi-Fi далеко не редкость, возможно, потому, что звучание терминов созвучно, название стандартов, на которых основаны эти технологии, похожи (стандарты IEEE, оба начинаются с «802.»), а также обе технологии используют беспроводное соединение и используются для подключения к интернету. Но несмотря на это, эти технологии направлены на решение совершенно различных задач.

Таблица 1.1 - Сравнительная таблица стандартов беспроводной связи

WiMAX это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного (схож с передачей данных с мобильных телефонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению)

Wi-Fi это система более короткого действия, обычно покрывающая сотни метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернет. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.

WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения.

Принцип работы WiMAX

Система WiMAX состоит из двух основных частей.

1.                  Базовая станция WiMAX, может размещаться на высотном объекте: здании или вышке.

2.                  Приёмник WiMAX: антенна с приёмником, в форм-факторе карты PC Card, карты расширения ПК или внешней карты.

Соединение между базовой станцией и клиентским приёмником производится в низкочастотном диапазоне 2-11 ГГц. Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью до 20 Мбит/с и не требует наличия прямой видимости между станцией и пользователем. Этот режим работы базовой станции WiMAX близок широко используемому стандарту 802.11 (Wi-Fi), что допускает совместимость уже выпущенных клиентских устройств и WiMAX.

Следует помнить, что технология WiMAX применяется как на "последней миле" - конечном участке между провайдером и пользователем, так и для предоставления доступа региональным сетям: офисным, районным.

Рис. 1.1 – Сеть WiMAX (общая схема)

Рис. 1.2 – Районная сеть WiMAX

По структуре сети стандарта IEEE 802.16 очень похожи на традиционные сети мобильной связи: здесь тоже имеются базовые станции, которые действуют в радиусе до 50 км, при этом их также не обязательно устанавливать на вышках - для них вполне подходят крыши домов, требуется лишь соблюдение условия прямой видимости между станциями. Для соединения базовой станции с пользователем необходимо наличие абонентского оборудования. Далее сигнал может поступать по стандартному Ethernet-кабелю, как непосредственно на конкретный компьютер, так и на точку доступа стандарта 802.11 Wi-Fi или в локальную проводную сеть стандарта Ethernet.

На примере WiMAX рассмотрим использование технологии для наблюдения за потоком машин и передачи данных о нарушении ПДД. При этом проектируемая система будет состоять из:

1) камер на улицах города (всего 10 000),

2) передатчиков для связи в сеть Wimax,

3) приемо-передающих станций (вышек),

4) центрального пульта "слежения и контроля", к которому стекается вся информация